Синергизм в севообороте: влияние чередования культур на улучшение эффективности роста

Мы обратили внимание, что реакция культуры на эффект чередования может быть выражена либо в улучшении эффективности использования ресурсов, либо в увеличении размера растения и повышении его урожайности. Примером эффективной реакции, называемой синергизмом, является то, что ряд культур повышает эффективное использование влаги (ЭИВ) последующими культурами

Культуры производят больше зерна при использовании такого же количества воды в синергетических последовательностях.

Для сравнения: культуры, которые увеличивают свою урожайность, потребляют больше воды, производя большее количество зерна. Синергизм разных культур увеличивает устойчивость к сорнякам из-за улучшенной эффективности использования ресурсов.

Синергизм еще более ощутим в условиях получения низкой урожайности, связанной со стрессом (например засухой). Причина синергизма культур, вероятно, связана со множеством взаимодействующих факторов, таких как микробиологические изменения, вещества – стимуляторы роста и измененный круговорот питательных веществ. Методом выявления синергизма среди культур может быть количественное определение эффективности использования влаги (ЭИВ) от воздействий предшествующей культуры. No-till-севообороты, включающие синергетическую последовательность культур, повышают продуктивность земли, экономические показатели фермы, здоровье почвы и эффективность использования ресурсов в полузасушливом климате Великих равнин.

1. Некоторые культуры в севообороте улучшают эффективность использования влаги

При долгосрочном исследовании севооборота в регионе Великих равнин мы обнаружили дополнительную выгоду от выращивания разно­образных культур: некоторые культуры улучшают ЭИВ последующими культурами. Например, озимая пшеница (Triticum aestivum L.) после гороха (Pisum sativum L.) при использовании одинакового количества воды производит на 10-25% больше зерна, чем после озимой пшеницы, проса обыкновенного (Panicum miliaceum) или после пара. Такое же увеличение эффективности использования влаги было обнаружено, когда горох выращивался перед яровой пшеницей в Канадских прериях.

По мере дальнейшего исследования чередования культур, проведенного на Великих равнинах, мы обнаружили, что реакция культуры на эффект чередования делилась на две категории: либо повышение эффективности культуры, либо увеличение размера растения, что является хорошим потенциалом для роста урожайности. Эти реакции отличаются, поскольку при росте потенциальной урожайности растению требуется больше воды. Примером повышения потенциальной урожайности является рапс (Brassica napus L.), предшествующий озимой пшенице. Рапс снижает уровень заболеваний корней озимой пшеницы, а здоровые корни извлекают из почвы больше влаги. Дополнительное количество влаги способствует образованию более крупных растений с более высоким потенциалом урожайности. Однако если в почве дополнительной влаги нет, урожайность озимой пшеницы не увеличится.

Подобный контраст в реакции на эффект последовательности происходит с кукурузой (Zea mays L.) и соей (Glycine max Merril). Коуплэнд с соавторами (1993) обнаружил, что соя более эффективно использовала влагу после кукурузы, по сравнению с выращиванием монокультуры сои. В свою очередь кукуруза использует больше влаги для увеличения урожайности после сои, чем в случае выращивания монокультуры кукурузы. При выращивании после сои у кукурузы увеличиваются размер растений и их потенциальная урожайность, а эффективность не увеличивается. Последовательности, которые повышают эффективность культуры, дают больший урожай при использовании одинакового количества влаги.

Такое изменение в эффективности, которое мы называем синергизмом, может помочь производителям улучшать продуктивность культур без необходимости увеличения организационных затрат. Далее приведены результаты наших исследований, способствующие пониманию и интегрированию этого преимущества в системы производства культур.

2. Синергизм при использовании систем No-till и различных севооборотов

Изначально мы наблюдали за проявлением синергизма в ходе исследования систем No-till на северо-востоке Колорадо, где производилось оценивание 15 севооборотов. Севообороты включали в себя такие культуры, как кукуруза, подсолнечник (Helianthus annuus L.), соя, просо, просо итальянское (Setaria italica (L.) Beauv), овес (Avena sativa L.), горох и озимая пшеница. Пар был также включен в некоторые севообороты. Все фазы каждого севооборота были представлены ежегодно. Мы высчитывали ЭИВ для урожайности зерна, основываясь на количестве выпадающих осадков плюс влага, извлеченная из почвы в течение вегетационного периода культуры. Извлечение влаги из почвы с глубины 2 м определялось для каждой культуры с помощью нейтронного влагомера. Ежегодное количество осадков на этом участке в среднем составляло 416 мм.

2.1 Озимая пшеница

Через пять лет после начала исследования эффективность использования влаги озимой пшеницей начала отличаться в разных сево­оборотах (Anderson, 2005a). Так, ЭИВ посевами озимой пшеницы увеличилась с 9,0 кг/га/мм в севообороте озимая пшеница – пар (ОП-П) до 11,2 кг/га/мм в сево­обороте озимая пшеница – кукуруза – пар (ОП-К-П; график 1). Сначала мы предполагали, что эффективность использования влаги обусловлена тем, что более длительный интервал между культурами озимой пшеницы в севообороте ОП-К-П подавляет болезни корней озимой пшеницы, как это отмечал Кук (1990).

Однако ЭИВ озимой пшеницы не отличалась между севооборотами озимая пшеница – пар и озимая пшеница – просо – пар (ОП-Пр-П). Более того, ЭИВ озимой пшеницы не увеличивалась в севооборотах с более длительными интервалами между культурами озимой пшеницы; ЭИВ озимой пшеницы была одинаковой при использовании севооборотов озимая пшеница – кукуруза – просо – пар (ОП-К-Пр-П) и озимая пшеница – кукуруза – пар (ОП-К-П). Это изменение в ЭИВ, похоже, связано с наличием кукурузы в севообороте.

Мы также обратили внимание, что горох, выращиваемый в качестве зеленого пара (рост останавливали через 7 недель после посева), улучшал ЭИВ озимой пшеницы в севообороте озимая пшеница – кукуруза – просо – горох (ОП-К-Пр-Г). ЭИВ озимой пшеницей в этом севообороте была 12,3 кг/га/мм, что на 11% выше, чем в севообороте ОП-К-Пр-П и ОП-К-П. В севообороте ОП-К-Пр-Г озимая пшеница производила на 37% зерна больше по сравнению с ОП-П при одинаковом использовании влаги.

Эффективность использования влаги озимой пшеницей не изменялась ни в каких других севооборотах. Например, ЭИВ озимой пшеницы была одинаковой в севооборотах озимая пшеница – просо – подсолнечник – пар (ОП-Пр-Под-П) и ОП-П (график 1). ЭИВ посевами озимой пшеницы увеличивалась только в том случае, если в севообороте были представлены кукуруза и горох.

2.2 Просо обыкновенное

В этом же исследовании мы заметили, что эффективность использования влаги посевами проса отличалась, когда его предшественниками были кукуруза и озимая пшеница. ЭИВ посевами проса составляла 9,3 кг/га/мм после кукурузы, но лишь 7,5 кг/га/мм после озимой пшеницы (Anderson, 2005a). Общее использование влаги просом было одинаковым в обеих последовательностях, тем не менее просо оказывалось на 24% эффективнее в преобразовании влаги в зерно, если выращивалось после кукурузы. Эта разница в ЭИВ была постоянной в течение 4 лет, несмотря на то, что урожайность колебалась в пределах от 1540 до 3510 кг/га.

Когда мы рассматривали эти изменения в ЭИВ у озимой пшеницы и проса, мы не подумали, что отличия могут быть связаны с управлением культурами. Культуры выращивали с применением лучших методов управления для данного региона. Управление плодородием основывалось на проведении анализов почвы и прогнозируемых показателях урожайности и включало в себя стартовые удобрения, вносимые с семенами. Сорняки эффективно контролировались гербицидами, и мы не наблюдали какого-либо нашествия вредных насекомых, которыми можно было бы объяснить эти различия. Мы не знали, как объяснить изменение в ЭИВ, однако кукуруза улучшала использование влаги просом, а ЭИВ озимой пшеницей увеличивалась, когда в севооборот были включены кукуруза и горох. Мы не наблюдали изменений ЭИВ по другим культурам, используемым в данном исследовании.

2.3 Соя

Похожее изменение ЭИВ происходит, когда соя выращивается после кукурузы. Эффективность использования влаги соей увеличивалась на 14%, когда предшественником сои была кукуруза, по сравнению с вариантом, когда соя выращивалась после сои. Для сравнения: ЭИВ кукурузой не изменялась, когда ее выращивали после сои, по сравнению с выращиванием монокультуры кукурузы. Коуплэнд и Крукстон (1992) также подсчитывали использование питательных веществ по сое и кукурузе под влиянием эффекта чередования. Урожайность сои после кукурузы увеличивалась даже без использования большего количества питательных веществ, в то время как кукуруза после сои требовала больше питательных веществ и влаги для увеличения урожайности. Кукуруза и соя по-разному реагировали на эффект чередования культур.

 3. Влияние предшествующей культуры на устойчивость к воздействию сорняков

Наши данные показывают, что эффективность использования влаги посевами некоторых культур может быть улучшена предшествующими культурами. Поскольку сорняки конкурируют с культурами за влагу, нам было интересно узнать, будут ли последовательности культур, улучшающие ЭИВ, также увеличивать устойчивость культуры к воздействию сорняков. Поэтому мы провели ряд исследований, в которых проводилась оценка влияния предшествующей культуры на устойчивость озимой пшеницы, кукурузы и сои к сорнякам в районах, где ежегодное количество осадков в среднем составляет 580 мм.

Исследовались виды сорняков, которые являются показательными по равномерному воздействию на эти культуры. Щетинник итальянский (просо итальянское) изучали в посевах кукурузы и сои, поскольку виды Setaria являются преобладающими видами на этих культурах повсеместно в США. Показательным видом для озимой пшеницы была рожь посевная (Secale cereale L.) – распространенный вид в посевах озимой пшеницы (White et al., 2006). Во всех исследованиях каждый участок был разделен на две зоны: без сорняков и засоренный участок для дальнейшего определения точности при оценивании синергизма культур. Сорняки на свободных от сорняков участках контролировали с помощью гербицидов и ручной прополки. Исследования проводились на полях, на которых интенсивное управление сорняками в предыдущие годы привело к низкой густоте стояния местного сорного сообщества.

Управление питательными веществами для кукурузы и озимой пшеницы включало в себя использование стартовых удобрений (N, P, K) с последующим внесением азота по культуре в течение вегетационного периода. Для сои вносились только стартовые удобрения. Количество азотного удобрения было откорректировано с учетом предшествующих культур, таких как бобовые, которые привносят азот в почву. Все культуры были посеяны по No-till-технологиям, а на исследуемых участках No-till применялся в течение 5 лет до начала исследования.

3.1 Озимая пшеница

В нашем первом исследовании мы сравнивали, как влияет соя, яровая пшеница, горох и смесь овса и гороха (фураж) на устойчивость озимой пшеницы к воздействию ржи посевной (Anderson, 2009с). Мы выращивали быстросозревающий сорт сои, которую убирали в конце августа, что давало возможность посеять озимую пшеницу в один и тот же день на всех участках. Травостой ржи посевной был сформирован в озимой пшенице за счет ручного посева – 15 растений на квадратный метр через 3 дня после всходов озимой пшеницы.

При наличии предшествующей культуры урожайность озимой пшеницы отличалась как в условиях без сорняков, так и на засоренных участках (график 2). При наличии ржи посевной урожайность озимой пшеницы после гороха составила 4900 кг/га, а после сои либо яровой пшеницы – менее 3200 кг/га. В условиях выращивания без сорняков потери урожайности из-за ржи посевной составляли лишь 11%, когда озимую пшеницу выращивали после гороха, но уже 32% после сои. Даже в условиях без сорняков урожайность озимой пшеницы была на 12% выше после гороха, чем после сои. Поразительная тенденция: после гороха урожайность озимой пшеницы даже в присутствии ржи посевной была такой же высокой, как и после сои или яровой пшеницы, но без сорняков. Урожайность озимой пшеницы колебалась от 4 до 6,7 т/га в течение 4-х лет исследований, тем не менее влияние гороха было постоянным в течение всех этих четырех лет.

Мы добавили в исследование овес для подавления болезней корней озимой пшеницы. Однако в плане улучшения устойчивости озимой пшеницы к ржи посевной смесь овса и гороха не была такой же благоприятной, как чистый горох (график 2). Когда озимая пшеница выращивалась после смеси овса и гороха, потери урожайности из-за воздействия ржи посевной составили 21%. Овес, очевидно, мешал механизму синергизма между горохом и озимой пшеницей, поскольку устойчивость ко ржи посевной оказалась меньше по сравнению с тем вариантом, когда озимая пшеница шла после одного гороха.

Более низкая урожайность озимой пшеницы, выращиваемой после пшеницы яровой, похоже, была обусловлена болезнями корней, поскольку бобовые культуры и овес снижают заболеваемость корней пшеницы по сравнению с выращиванием монокультуры пшеницы (Krupinsky et al., 2002). Однако мы были удивлены разницей и в урожайности озимой пшеницы, и в устойчивости к сорнякам в тех случаях, когда в качестве предшествующих культур использовали горох и сою (график 2). Разница в уровнях почвенной влаги после уборки предшествующих культур может быть одним из факторов, однако обильные осадки выпадают на этом участке осенью и зимой. Соответственно, когда начинается весенний рост, почвенный профиль обычно находится в нормальной полевой влагоемкости, исключая разницу в уровнях почвенной влаги среди предшествующих культур.

Еще одним фактором мог бы быть круговорот азота, различный после гороха и сои, но высота растения озимой пшеницы в период цветения и биомасса ржи посевной, измеренные при уборке озимой пшеницы, не отличались из-за предшествующей культуры. Очевидно, что горох влияет на рост озимой пшеницы уникальным способом, снижая влияние ржи посевной.

Устойчивость яровой пшеницы к сорнякам также отличается в зависимости от предшествующей культуры. Чечевица (Lens culinaris, Medic) усиливала устойчивость яровой пшеницы к местному сорному сообществу, но горчица (Brassica juncea L.) и рапс не усиливали. Авторы (Moyer et al., 2004) частично связывали этот эффект с изменениями в биологии почвы. Они также обратили внимание, что горчица подавляла рост яровой пшеницы, но не сорняков. Таким образом, некоторые последовательности культур могут благоприятствовать появлению сорняков. Чечевица может оказывать синергетическое воздействие на яровую пшеницу. Как сообщил Кэйси с соавторами, чечевица увеличивала ЭИВ пшеницей на 12% по сравнению с паром или другими культурами.

3.2 Кукуруза

Для дальнейшего изучения синергизма культур и влияния сорняков мы провели сравнение того, как пять культур – соя, рапс, кукуруза, яровая пшеница и горох – влияли на устойчивость кукурузы к воздействию щетинника итальянского. Семена щетинника итальянского были разбросаны на поверхности почвы за день до посева кукурузы; травостой щетинника итальянского составлял примерно 115 сеянцев/м2 в травостое кукурузы. Масса щетинника итальянского в сыром виде была измерена через 7 недель после всхожести и не отличалась при использовании разных предшественников.

Кукуруза была наиболее устойчива к щетиннику зеленому, если выращивалась после сои, при этом урожайность зерна уменьшалась на 50% (график 3). Для сравнения: кукуруза после сои, рапса или яровой пшеницы теряла почти 80% своей урожайности из-за присутствия щетинника итальянского. Кукуруза после кукурузы давала урожайность в 205 кг/га, когда в поле имелся щетинник итальянский, или только 7% от урожайности, наблюдаемой при выращивании после гороха.

Существенное снижение урожайности кукурузы, выращиваемой после кукурузы, включает в себя аллелопатическое воздействие растительных остатков кукурузы на замедление роста сеянцев в течение первых 5-6 недель роста. Производители, которые выращивают монокультуру кукурузу в данном регионе, сводят к минимуму этот аллелопатический эффект за счет механической обработки, чтобы растворить токсические соединения. Они также разгребают растительные остатки из посевного ряда с помощью специальных приспособлений на сеялке (Vetsch and Randail, 2000).

Даже при отсутствии сорняков урожайность кукурузы была существенно больше при ее посеве после гороха, чем после других культур (график 3). Кукуруза после яровой пшеницы, сои или рапса давала урожайность на 13% меньше, чем кукуруза после гороха. А урожайность монокультуры кукурузы составляла лишь 57% от урожайности кукурузы после гороха. Любопытная тенденция прослеживалась в том, что кукуруза после гороха и при наличии щетинника итальянского имела такую же урожайность, как кукуруза после кукурузы на участке без сорняков.

Люцерна (Medicago sativa L.) и подсолнечник также увеличивали урожайность зерна кукурузы по сравнению с урожайностью кукурузы после кукурузы в условиях без сорняков. Однако обнаружилось, что рост урожайности кукурузы благодаря этим культурам-предшественникам не отличался от роста урожайности после сои. Горох, похоже, оказывает уникальное воздействие, увеличивая урожайность зерна и устойчивость кукурузы к сорнякам.

3.3 Соя

Пять культур мы также оценивали на предмет влияния на устойчивость сои к воздействию сорняков, следуя той же самой методологии, когда применялся щетинник итальянский в качестве сорняка для кукурузы (Anderson, 2009а).

Урожайность сои в условиях без сорняков была наивысшей после злаковых культур: овса, яровой пшеницы и кукурузы (график 4), что может быть обусловлено подавлением болезней корней сои. Но при наличии на участке щетинника итальянского урожайность сои была более высокой после кукурузы, чем после овса или яровой пшеницы. Снижение урожайности сои из-за воздействия щетинника итальянского составило лишь 18%, когда сою выращивали после кукурузы, но более 30%, когда предшественниками сои были яровая пшеница или овес. Повышенная устойчивость сои к сорнякам, когда ей предшествовала кукуруза, может быть связана с тем, что кукуруза улучшает ЭИВ соей и помогает сое выдерживать конкуренцию с сорняками за влагу.

Горох улучшал устойчивость сои к щетиннику итальянскому по сравнению с выращиванием монокультуры сои, но не повышал урожайность сои в условиях без сорняков (график 4). Горох, вероятно, взаимодействует с соей по-другому в условиях, когда нет сорняков, чтобы замаскировать синергетическую реакцию, когда в поле присутствует щетинник итальянский.

3.4 Синергизм и устойчивость к сорнякам

Наши результаты относительно устойчивости культур к сорнякам предоставляют еще одно доказательство синергизма; горох улучшал устойчивость озимой пшеницы и кукурузы к сорнякам, в то время как кукуруза благоприятно влияла на сою. Мы были заинтригованы, что и озимая пшеница, и кукуруза реагировали на горох более благоприятно, чем соя (графики 2 и 3).

Эта тенденция может оказаться аномальной, но мы полагаем, что горох улучшает эффективность использования влаги озимой пшеницей и кукурузой, чем сводит к минимуму воздействие сорняков. Как отмечалось ранее, горох улучшает ЭИВ озимой пшеницей по сравнению с другими культурами (Anderson, 2009a), в то время как Коуплэнд с соавторами (1993) обнаружил, что соя не улучшала ЭИВ кукурузой.

4. Горох изменяет взаимосвязь между густотой травостоя кукурузы и урожайностью зерна

Одним из преимуществ генетического усовершенствования кукурузы является повышенная устойчивость к стрессу густоты (Tollenaar et al., 2006). Благодаря этой улучшенной устойчивости урожайность кукурузы выше, если выше густота травостоя. Поскольку горох улучшает устойчивость к воздействию сорняков, мы предположили, что горох может также повысить урожайность кукурузы при более высокой густоте травостоя.

Чтобы проверить эту гипотезу, мы сравнивали урожайность кукурузы при пяти разных показателях густоты травостоя от 45 000 до 73 000 растений на гектар с промежутками в 7000 растений, посеянных в стерню гороха, сои и яровой пшеницы, выращивавшихся в предыдущий год. Обычная густота травостоя, которой придерживаются производители в данном регионе, составляет от 66 000 до 73 000 растений/га. Кукурузу выращивали с применением лучших методов управления в условиях без сорняков.

После сои или яровой пшеницы в качестве предшественников наивысшая урожайность кукурузы достигалась при 73 000 растений на гектар, при этом наблюдалось постепенное увеличение урожайности по мере увеличения густоты травостоя кукурузы (график 5). Однако была отмечена удивительная тенденция: когда кукурузу выращивали после гороха, наибольшая урожайность кукурузы достигалась при 52 000 растений на гектар, что на 21 000 растений меньше, чем когда кукурузу выращивали после сои или яровой пшеницы. Урожайность была в пределах 6500-9800 кг/га в течение трех лет исследований, но тенденции урожайности среди предшествующих культур были стабильными в течение этих лет. Затраты на семена являются основной статьей расходов производителей. Выявленное изменение в оптимальной густоте травостоя кукурузы, выращиваемой после гороха, может сократить затраты на семена более чем на 70$/га.

Мы не совсем уверены в том, почему горох повышал урожайность кукурузы при низкой густоте травостоя по сравнению с соей и яровой пшеницей. Возможно, дело в продуктивности кукурузы в результате влияния расположения растений в пространстве (Lindquist et al., 1994). Густота травостоя 52 000 растений на гектар приводила к тому, что растения кукурузы равномерно располагались внутри рядка и между рядками (ширина междурядья – 50 см).

Баллок с соавторами (1988) обнаружил, что кукуруза, выращиваемая на равноудаленном расстоянии между растениями, давала большую урожайность зерна на единицу площади, чем когда она выращивалась по традиционным нормам касательно расстояний между растениями. Уоткинсон (1980) также отметил, что эффективность удерживания и использования ресурсов наивысшая, когда растения расположены на равном расстоянии друг от друга.

Горох может еще больше повышать эффективность использования ресурсов, уменьшая тем самым необходимость в большом количестве растений.

 5. Возможные причины синергизма между культурами

Несколько различных факторов могут принимать участие в синергизме культур, такие как изменения в запасах питательных веществ и влаги (Hobbs, 2007), подавление вредителей (Kirkegaard et al., 2008) или высвобождение ростостимулирующих веществ (Anaya, 1999).

Микробиологическое сообщество и микробиологические заражения культуры тоже изменяются при разнообразии культур. Одним из микробиологических видов, зачастую упоминаемых при влиянии чередования культур, являются микоризы, которые улучшают поглощение питательных веществ и влаги растениями. Чтобы получить представление о возможных причинах синергизма, мы провели дополнительные исследования, которые были направлены на изучение взаимосвязи между горохом и соей. Синергизм гороха заключается в изменении физиологии кукурузы, что повышает эффективность роста.

5.1 Синергизм гороха по отношению к кукурузе сохраняется два года

Нам также было интересно установить, сохранится ли благоприятное влияние гороха на кукурузу на второй год. Райт сообщил о том, что горох повышал урожайность зерна мелкозерновых в течение 2 лет. В первый год горох повышал урожайность ячменя на 21% по сравнению с выращиванием монокультуры ячменя. На следующий год яровая пшеница давала урожайность на 12% больше после последовательности горох – ячмень, чем после последовательности ячмень – ячмень. Крукстон с соавторами (1991) обнаружил подобную тенденцию по сое, когда благоприятное влияние кукурузы на урожайность сои тоже сохранялось в течение 2 лет. Для сравнения, благоприятное влияние сои на урожайность кукурузы длилось только 1 год.

Поэтому мы сравнивали урожайность кукурузы под влиянием последовательности культур и при наличии щетинника итальянского. Горох, соя и кукуруза выращивались в первый год, соя и все обработки во второй год, а на третий год – кукуруза во всех последовательностях. Щетинник итальянский выращивался в кукурузе только в течение третьего года, при этом каждый участок был разбит на две зоны – с сорняками и без сорняков.

Даже на второй год после гороха кукуруза была более устойчивой к воздействию сорняка. Урожайность кукурузы после гороха составила 4500 кг/га в последовательности горох – соя (при наличии щетинника итальянского), но менее 3200 кг/га после таких последовательностей как соя – соя и кукуруза – соя (график 7). Потери урожайности из-за воздействия сорняка после последовательности горох – соя составили 45%, в то время как потери урожайности после других последовательностей составили более 60%.

Синергизм также наблюдался в условиях без сорняков, поскольку урожайность кукурузы была на 8% выше в последовательности горох – соя – кукуруза, чем в последовательности кукуруза – соя – кукуруза.

5.2 Синергизм гороха по отношению к кукурузе больше в условиях низкой урожайности

Кукуруза является более устойчивой к стрессам из-за повышенной эффективности использования ресурсов, но эта реакция зачастую ощутима только в условиях стресса. Чтобы увидеть, был ли синергизм среди культур более ощутим в условиях стресса (низкая урожайность), мы сравнивали единый режим выращивания кукурузы после гороха и сои, который применялся в различных исследованиях в течение семи разных лет.

Наше исследование включало выращивание кукурузы с густотой травостоя 66 000 растений на гектар после гороха и сои; участки сохраняли без сорняков. В среднем за семь лет урожайность кукурузы была на 11% больше после гороха, чем после сои. Но увеличение урожайности благодаря гороху было выше в годы с низкой урожайностью. Урожайность кукурузы была на 4-5% выше после гороха в те годы, когда урожайность была выше 9000 кг/га. Для сравнения, увеличение урожайности составляло от 14 до 22%, когда урожайность кукурузы была менее 6500 кг/га.

Из-за сложности биологии почвы нам, видимо, не удастся определить конкретную причину синергизма культур. Тем не менее мы увидели тенденции, которые могут влиять на управление решениями.

Горох и кукуруза оказывают синергетическое влияние на последующие культуры. Но синергизм среди культур может быть редким; мы обнаружили, что лишь 2 из 11 протестированных культур оказывали такое воздействие.

Синергизм также относится к культурам в последовательности. Например, кукуруза оказывает синергетический эффект на просо и озимую пшеницу, но не на сорго (Sorghum bicolor (L.) Moench). Еще одним примером такой специфичности служит синергетическое влияние кукурузы на озимую пшеницу и просо. Кукуруза улучшала эффективность использования влаги просом в севообороте озимая пшеница – кукуруза – просо (ОП-К-Пр), но не тогда, когда в севооборот добавляли пар (ОП-К-Пр-П). ЭИВ просом не отличалась в севооборотах озимая пшеница – просо (ОП-Пр), озимая пшеница – просо – пар и ОП-К-Пр-П. Тем не менее кукуруза улучшила эффективность использования влаги озимой пшеницей в севооборотах ОП-К-П и ОП-К-Пр-П, включающих в себя пар (график 1). Основываясь на наших тенденциях и наблюдениях Толленаара и Ву, мы полагаем, что синергизм может быть более благоприятным именно в сухих регионах, где стресс растений является обычным явлением.

6. Преимущества синергизма для производства культур

Даже если причина синергизма не известна, измерение эффективности использования влаги культурами под влиянием предшествующей культуры может дать метод для определения потенциальных синергетических последовательностей. Подход ЭИВ является подходящим, потому что культура объединяет в себе различные факторы биологии почвы. После выявления синергетических последовательностей, производители культур будут включать в себя эти благоприятные последовательности, чтобы повысить эффективность производства.

6.1 Увеличение урожайности без увеличения затрат

Синергетические последовательности могут способствовать увеличению урожайности зерна при неизменных затратах ресурсов, как это показано на примере озимой пшеницы и кукурузы (графики 1-3). Польза от синергизма является особенно ощутимой в полузасушливом регионе Великих равнин. До появления No-till-технологий традиционным в регионе был севооборот озимая пшеница – пар. Успешным севооборотом, применяемым в No-till, является севооборот горох – озимая пшеница – кукуруза – просо (Г-ОП-К-Пр). Производители обнаружили, что потенциал урожайности озимой пшеницы в этом севообороте более чем в два раза выше. Урожайность озимой пшеницы редко превышает 2650 кг/га в самые благоприятные годы при выращивании в севообороте озимая пшеница – пар. Для сравнения, урожайность пшеницы может превышать 5400 кг/га в благоприятные годы в севообороте горох – озимая пшеница – кукуруза – просо.

Подобное изменение в потенциале урожайности происходит с просом в данном севообороте. Это увеличение потенциала урожайности озимой пшеницы и проса вдвое. Однако оно не наблюдалось в No-till-севооборотах без синергетических последовательностей, таких как ОП-Пр или ОП-Пр-Под-П. Часть увеличения урожайности зерна в севообороте горох – озимая пшеница – кукуруза – просо может быть обусловлена улучшением использования влаги культурами при No-till-технологиях: урожайность озимой пшеницы и проса на 35-50% больше, чем ожидалось, исходя из запасов влаги и питательных веществ.

Мы полагаем, что благодаря гороху и кукурузе повышается урожайность озимой пшеницы и проса за счет улучшения эффективности использования влаги и питательных веществ.

Благодаря успешному применению севооборота горох – озимая пшеница – кукуруза – просо производители задаются вопросом: нельзя ли создать такие севообороты, в которых все последовательности синергетические.

Вообще говоря, синергетические последовательности довольно редки, поэтому интересно выяснить, сможет ли синергизм быть продлен до уровня севооборота. Покровные культуры могут предоставить такой вариант. Севооборот горох – озимая пшеница – кукуруза – просо содержит две синергетические последовательности (график 6). Озимая пшеница не оказывает синергетическое влияние на кукурузу (Schneekloth et al., 1991), но, как обнаружил Кумар с соавторами, вика мохнатая (Vicia villosa Roth), выращиваемая в качестве покровной культуры, повышает устойчивость помидоров (Solanum lycopersicum L.) к стрессу. Если бы существовала синергетическая покровная культура для кукурузы, производительность севооборота горох – озимая пшеница – кукуруза – просо (Г-ОП-К-Пр) может быть заметно усилена за счет включения этой покровной культуры в севооборот между озимой пшеницей и кукурузой (график 6). Бидербек с соавторами (2005) сообщил, что было бы достаточно коротких интервалов выращивания покровных культур для инициирования благоприятных изменений в микробиологии почвы.

Управление сорняками также может выиграть от синергетических последовательностей. Благодаря разнообразию культур и No-till-технологий производители могут управлять сорняками с помощью экологического подхода, который включает в себя агротехнические методы уменьшения динамики популяции сорняков с использованием гербицидов (Anderson, 2005).

Плотность сорного сообщества уменьшается со временем таким образом, что для некоторых культур уже не нужно использовать гербициды. Производители контролируют сорняки с использованием на 50% меньшего количества гербицидов, чем при традиционном управлении сорняками. Синергизм между культурами будет усиливать современный подход к управлению сорняками: уменьшая влияние сорняков и применение гербицидов, обеспечивая низкую засоренность и высокую урожайность культур.